The vibrational behavior of nanoelements is critical in determining how a nanostructure behaves. However, combining vibrational analysis with stability analysis allows for a more comprehensive knowledge of a structure's behavior. As a result, the goal of this research is to characterize the behavior of nonlocal nanocyndrical beams with uniform and nonuniform cross sections. The nonuniformity of the beams is determined by three distinct section functions, namely linear, convex, and exponential functions, with the length and mass of the beams being identical. For completely clamped, fully pinned, and cantilever boundary conditions, Eringen's nonlocal theory is combined with the Timoshenko beam model. The extended differential quadrature technique was used to solve the governing equations in this research. In contrast to the other boundary conditions, the findings of this research reveal that the nonlocal impact has the opposite effect on the frequency of the uniform cantilever nanobeam. Furthermore, since the mass of the materials employed in these nanobeams is designed to remain the same, the findings may be utilized to help improve the frequency and buckling stress of a resonator without requiring additional material, which is a cost-effective benefit.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.25
no.1
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pp.1-11
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2021
POGO is a dynamic axial instability phenomenon that occurs in liquid-propelled rockets. As the natural frequencies of the fuselage and those of the propellant supply system become closer, the entire system will become unstable. To predict POGO, the propellant (oxidant and fuel) tank in the first stage is modeled as a shell element, and the remaining components, the engine and the upper part, are modeled as mass-spring, and structural analysis is performed. The transmission line model is used to predict the pressure and flow perturbation of the propellant supply system. In this paper, the closed-loop transfer function is constructed by integrating the fuselage structure and fluid modeling as described above. The pogo suppressor consists of a branch pipe and an accumulator that absorbs pressure fluctuations in a passive manner and is located in the middle of the propellant supply system. The design parameters for its design optimization to suppress the decay phenomenon are set as the diameter, length of the branch pipe, and accumulator. Multiple-objective function optimization is performed by setting the energy minimization of the closed loop transfer function in terms of to the mass of the pogo suppressor and that of the propellant as the objective function.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.50
no.7
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pp.445-454
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2022
Ice accretion on the aircraft components, such as wings, fuselage, and empennage, can occur when the aircraft encounters a cloud zone with high humidity and low temperature. The prevention of ice accretion is important because it causes a decrease in the aerodynamic performance and flight stability, thus leading to fatal safety problems. In this study, a shape design optimization of a multi-element airfoil is performed to minimize the amount of ice accretion on the high-lift device including leading-edge slat, main element, and trailing-edge flap. The design optimization framework proposed in this paper consists of four major parts: air flow, droplet impingement and ice accretion simulations and gradient-free optimization algorithm. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulation is used to predict the aerodynamic performance and flow field around the multi-element airfoil at the angle of attack 8°. Droplet impingement and ice accretion simulations are conducted using the multi-physics computational analysis tool. The objective function is to minimize the total mass of ice accretion and the design variables are the deflection angle, gap, and overhang of the flap and slat. Kriging surrogate model is used to construct the response surface, providing rapid approximations of time-consuming function evaluation, and genetic algorithm is employed to find the optimal solution. As a result of optimization, the total mass of ice accretion on the optimized multielement airfoil is reduced by about 8% compared to the baseline configuration.
The main objective of this paper is the robust multi-objective optimization design of semi-active tuned mass damper (STMD) system using genetic algorithms and fuzzy logic. For optimal design of this system, it is required that the uncertainties which may exist in the system be taken into account. This consideration is performed through the robust design optimization (RDO) procedure. To evaluate the optimal values of the design parameters, three non-commensurable objective functions namely: normalized values of the maximum displacement, velocity, and acceleration of each story level are considered to minimize simultaneously. For this purpose, a fast and elitist non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) approach is used to find a set of Pareto-optimal solutions. The torsional effects due to irregularities of the building and/or unsymmetrical placements of the dampers are taken into account through the 3-D modeling of the building. Finally, the comparison of the results shows that the probabilistic robust STMD system is capable of providing a reduction of about 52%, 42.5%, and 37.24% on the maximum displacement, velocity, and acceleration of the building top story, respectively.
Interactions of a humanoid with a human are important, when the humanoid is requested to provide people with human-friendly services in unknown or uncertain environment. Such interactions may require more complicated and human-like behaviors from the humanoid. In this work the arm motions of a human are discussed as the early stage of human motion imitation by a humanoid. A motion capture system is used to obtain human-friendly arm motions as references. However the captured motions may not be applied directly to the humanoid, since the differences in geometric or dynamics aspects as length, mass, degrees of freedom, and kinematics and dynamics capabilities exist between the humanoid and the human. To overcome this difficulty a method to adapt captured motions to a humanoid is developed. The geometric difference in the arm length is resolved by scaling the arm length of the humanoid with a constant. Using the scaled geometry of the humanoid the imitation of actor's arm motions is achieved by solving an inverse kinematics problem formulated using optimization. The errors between the captured trajectories of actor arms and the approximated trajectories of humanoid arms are minimized. Such dynamics capabilities of the joint motors as limits of joint position, velocity and acceleration are also imposed on the optimization problem. Two motions of one hand waiving and performing a statement in sign language are imitated by a humanoid through dynamics simulation.
This paper deals with the topology optimized design of the riser support structures for floating production storage and offloading units (FPSOs) under global and local loading conditions. For a preliminary study and validation of the numerical approach, a simplified plate under static loading is first evaluated with the representative topology optimization methods, the Homogenization Design Method (HDM) and Density Method (DM) or Simple Isotropic Material with Penalization (SIMP). In the context of the corresponding riser support structures, the design problem is formulated such that structure shapes based on design domain variables are determined by minimizing the compliance subject to a mass target, considering the stress criterion. An initial design model is generated based on an actual FPSO riser support configuration. The topology optimization results present improved design performances under various loading conditions, while staying within the allowable limit of the offshore area.
Banh, Thanh T.;Nguyen, Xuan Q.;Herrmann, Michael;Filippou, Filip C.;Lee, Dongkyu
Steel and Composite Structures
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v.35
no.1
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pp.129-145
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2020
In typical, structural topology optimization plays a significant role to both increase stiffness and save mass of structures in the resulting design. This study contributes to a new numerical approach of topologically optimal design of Mindlin-Reissner plates considering Winkler foundation and mathematical formulations of multi-directional variable thickness of the plate by using multi-materials. While achieving optimal multi-material topologies of the plate with multi-directional variable thickness, the weight information of structures in terms of effective utilization of the material at the appropriate thickness location may be provided for engineers and designers of structures. Besides, numerical techniques of the well-established mixed interpolation of tensorial components 4 element (MITC4) is utilized to overcome a well-known shear locking problem occurring to thin plate models. The well-founded mathematical formulation of topology optimization problem with variable thickness Mindlin-Reissner plate structures by using multiple materials is derived in detail as one of main achievements of this article. Numerical examples verify that variable thickness Mindlin-Reissner plates on Winkler foundation have a significant effect on topologically optimal multi-material design results.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.1018-1025
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2003
The diesel engine is often a serious excitation source in ships. Both the varying cylinder gas forces and the reciprocating and rotating mass forces associated with the crank and the connecting rod mechanism produce ample possibilities for excitation of the engine structure itself, the shafting, the surrounding substructures as well as the hull girder. This paper presents a guide for optimization of excitation forces produced by the marine propulsion 2-stroke diesel engine. The computational program for predicting the excitation forces is developed and applied to 2-stroke in-line engines. The object function is defined as the work done by every cylinder excitation force which is related to the mode shape of the diesel engine system, especially in the torsional vibration of the shafting. As a practical application of the presented method, the crank angle of 7 cylinder 2-stroke engine is optimized to reduce torsional vibration stresses on the shafting. Compared with the regular firing angle, about 60% of the 4th order torsional vibratory stress on the propeller shaft can be reduced by optimizing the crank angle irregularly. The usefulness of the presented optimization method is confirmed by the measurements.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.14
no.8
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pp.709-717
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2004
The diesel engine is often a serious excitation source in ships. Both the varying cylinder gas forces and the reciprocating and rotating mass forces associated with the crank and the connecting rod mechanism produce ample possibilities for excitation of the engine structure itself, the shafting, the surrounding substructures as well as the hull girder. This paper presents a guide for optimization of excitation forces produced by the marine propulsion 2-stroke diesel engine. The computational program for predicting the excitation forces is developed and applied to 2-stroke in-line engines. The object function is defined as the work done by every cylinder excitation force which is related to the mode shape of the diesel engine system, especially in the torsional vibration of the shafting. As a practical application of the presented method. the crank angle of 7 cylinder 2-stroke engine is optimized to reduce torsional vibration stresses on the shafting. Compared with the regular firing angle, about 60 % of the 4th order torsional vibratory stress on the propeller shaft can be reduced by optimizing the crank angle irregularly. The usefulness of the presented optimization method is confirmed by the measurements.
The demand for mass calculation of offsite consequence analysis to conduct exhaustive single-unit or multi-unit Level 3 PSA is increasing. In order to perform efficient offsite consequence analyses, the Korea Atomic Energy Research Institute is conducting model optimization studies to minimize the analysis time while maintaining the accuracy of the results. A previous study developed a model optimization method using efficient plume segmentation and verified its effectiveness. In this study, we investigated the possibility of optimizing the model through particle size distribution setting by checking the reduction in analysis time and deviation of the results. Our findings indicate that particle size distribution setting affects the results, but its effect on analysis time is insignificant. Therefore, it is advantageous to set the particle size distribution as fine as possible. Furthermore, we evaluated the effect of multithreading and confirmed its efficiency. Future optimization studies should be conducted on various input factors of offsite consequence analysis, such as spatial grid settings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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